| La biophysique - analyse des macromolécules biologiques |
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1. Définition de la biophysique et rappel sur la structure des protéines 2. Quelques brefs rappels de physique 3. Les techniques spectroscopiques
4. La résonance magnétique nucléaire (RMN) |
5. La cristallographie ou diffraction des rayons X 6. La spectrométrie de masse 7. Application de la spectrométrie de masse à la protéomique 8. La résonance paramagnétique électronique (RPE) 9. La mécanique et la modélisation moléculaires |
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1. Définition de la biophysique et rappel sur la structure des protéines Discipline qui analyse les phénomènes biologiques (biomécanique, imagerie médicale, fonction des organes, ...) et la structure des macromolécules biologiques à l'aide de théories et de techniques de la physique (voire de la chimie). Il existe quatre niveaux de structure des protéines (voir les structures) :
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2. Quelques brefs rappels de physique a. Structure de l'atome Un atome est constitué :
Source : SFEN
Au sein de l'atome résident différents types de forces ou interactions qui assurent la cohésion et l'interaction entre les différents constituants de l'atome. La cohésion du noyau atomique est assurée par l'interaction forte, qui attire les nucléons entre eux et empêche les protons de se repousser. La nomenclature d'un atome s'écrit : AZX
Les isotopes sont les différents atomes qui appartiennent à un même élément chimique. Ils ont :
Les isobares sont des atomes qui ont :
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b. La lumière La lumière est la partie visible du rayonnement électromagnétique. Un rayonnement électromagnétique est une oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique (l'un étant perpendiculaire à l'autre) qui se propage en ligne droite à partir d'une source constituée par un mouvement alternatif de charges électriques.
Source : Wikipédia - Auteur : C. Dang Ngoc Chan
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c. Le photon Le photon est un concept utilisé pour représenter les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Les travaux de Heinrich Hertz sur l'effet photoélectrique et de Max Planck sur le corps noir ont montré que la matière recevait ou émettait de l'énergie électromagnétique par paquets et de valeur bien déterminée, ou quanta. Tout rayonnement électromagnétique est constitué de photons. Le photon est un grain d'énergie qui se déplace à la vitesse de la lumière (v = c) avec une fréquence d'oscillation ν :
Lors d'une interaction entre un photon et un atome, l'énergie totale du système (photon + atome) et la quantité de mouvement totale (photon + atome) sont conservées.
L'énergie d'un photon est exprimée en électron-volt (eV), soit l'énergie d'1 électron accéléré par un potentiel de 1 volt.
Voir une illustration : l'effet Compton |
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d. Spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique en fonction :
Catégories du spectre par longueur d'onde décroissante : ondes radio (λ > 10 m); ondes radar (1 m ≤ λ ≤ 10 m); micro-ondes (10-3 m ≤ λ ≤ 1 m); infrarouge (10-6 m ≤ λ ≤ 10-3 m); visible (400 10-9 m ≤ λ ≤ 700 10-9 m); ultraviolet (180 10-9 m ≤ λ ≤ 400 10-9 m); rayons X (λ ≤ 1 10-8 m); rayons γ (λ ≤ 1 10-11 m)
Source : Wikipédia - Auteur : C. Dang Ngoc Chan |
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3a. La spectroscopie ultraviolet / visible - la spectroscopie infrarouge Ces méthodes spectroscopiques sont utilisées pour analyser les macromolécules parce que ce sont des techniques d'analyse non destructrices.
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Une molécule fluorescente (fluorophore ou fluorochrome) possède la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (ou lumière d'excitation) et de la restituer rapidement (< 1 nsec) sous forme de lumière fluorescente (ou lumière d'émission). Cependant :
En conséquences, l'énergie de la lumière d'émission est plus faible que celle de la lumière d'excitation : la lumière d'émission (la fluorescence) a donc une longueur d'onde plus élevée. Remarque : si l'émission de la lumière cesse dès l'arrêt de l'excitation c'est la fluorescence. Si la matière continue d'émettre de la lumière après avoir été éclairée, c'est la phosphorescence. Voir un développement de la fluorescence. |
Application : la microscopie de fluorescence Le principe général est d'associer des cellules ou des molécules non fluorescentes avec des fluorochromes pour les visualiser. Par exemple, le 4',6-Diamidino-2-phenylindole ou DAPI marque l'ADN qui fluoresce en bleu. De nombreuses autres techniques se sont développées :
Voir un développement DAPI - FISH - FRET - GFP. |
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Le dichroïsme circulaire s'appuie sur la capacité des molécules qui ont une activité optique d'absorber différemment à droite et à gauche la lumière polarisée circulairement. L'activité optique est la propriété que possède une structure chirale d'interagir avec un rayonnement électromagnétique. L'activité optique est à l'origine :
Voir un développement du dichroïsme circulaire. Application : Le dichroïsme circulaire est une technique qui permet d'analyser le contenu en structures secondaires des protéines ou des acides nucléiques. Pour déterminer la proportion de chaque type de structure secondaire, il faut effectuer une déconvolution en composantes élémentaires du spectre de dichroïsme avec des logiciels appropriés. Cette une technique non destructive qui permet d'étudier les changements de conformation des protéines dans différents environnements (pH, agents dénaturants, température). |
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4. La résonance magnétique nucléaire (RMN) Voir un développement de la résonance magnétique nucléaire. Application : Son caractère non destructif a conduit à divers développements de cette méthode qui est employée :
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5a. La cristallographie ou diffraction des rayons X La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des substances cristallines à l'échelle atomique. L'état cristallin est défini par un caractère périodique et ordonné à l'échelle atomique ou moléculaire. Ce caractère périodique est appelé la maille élémentaire. La cristallogénèse est la formation d'un cristal, soit en milieu naturel, soit de façon expérimentale. C'est le passage d'un état désordonné liquide à un état ordonné solide, contrôlé par la température, la pression, le temps d'évaporation et des lois cinétiques complexes :
La plupart des subtances minérales et des petites molécules organiques cristallisent facilement et les cristaux obtenus sont en général sans défaut. En revanche les macromolécules biologiques, comme les protéines, sont souvent très difficiles à cristalliser. C'est par cristallographie que J. Watson, F. Crick, M. Wilkins et R. Franklin ont pu déterminer la structure hélicoïdale de l'ADN en 1953 (Prix Nobel en 1962). Voir un développement de la cristallographie :
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5b. La banque de données "Protein data Bank" (PDB) Elle contient l'ensemble des données structurales des protéines (plus de 85.500 structures en 2012) obtenues par cristallographie ou par RMN.
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Les protéines sont de grosses molécules biologiques. La spectrométrie de masse permet de les fractionner (actuellement jusqu'à 2 105 Daltons) en les ionisant, puis de déduire la masse de ces molécules (ou la masse de leurs fragments) selon leurs trajectoires. Les fragments sont accélérés par un champ magnétique et/ou électrique et ils sont triés en fonction de leur rapport : masse/charge (M/z). L'une des principales applications de la spectrométrie de masse en biologie est la protéomique qui a pour but d'identifier (et de quantifier) l'ensemble des protéines synthétisées ou protéome, à un moment donné et dans des conditions données au sein d'un tissu, d'une cellule ou d'un compartiment cellulaire.
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8. La résonance paramagnétique électronique (RPE) Un radical libre est un atome ou une molécule qui possède un ou plusieurs électron célibataire (non-appariés). Un électron célibataire engendre une grande instabilité de la molécule. Les espèces radicalaires sont produites naturellement par phénomène d'oxydation et peuvent s'attaquer aux composés vitaux des cellules. La résonance paramagnétique électronique est une méthode directe d'étude des phénomènes radicalaires. Elle permet donc de mettre en évidence des composés possédant au moins un électron célibataire. Voir un développement de la RPE. |
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9. La mécanique et la modélisation moléculaires Ce type d'approche est complémentaire des techniques physiques qui précèdent. Ces objectifs sont entre autres :
Différents outils informatiques sont utilisés pour :
Voir un développement de la mécanique et la modélisation moléculaires. |
